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1、焊锡资料(焊锡资料(7 7)- -波峰焊点界面断裂失效机理波峰焊点界面断裂失效机理摘要:本文介绍了在波峰焊条件下出现的 BGA 焊点开焊现象,通过采用染 色起拔、金相切片、SEM 等分析发现为一种典型的界面断裂失效现象。非对称 表面处理的焊点结果使得出现了 NiSnCu 的三元合金,失效分析针对集中典型失 效机理展开,例如二次回流、三元合金等。 BGA 封装由于其效率、功能等方面的优势已经广泛应用于各种电子产品;而在 中低档的电子产品中,由于考虑到设计成本的因素,仍然广泛的采用了回流焊 和波峰焊双面混装的工艺路线。由于波峰焊工艺带来 的对 PCBA 组件的瞬时温 度冲击以及局部热应力问题,给
2、BGA 的应用带来了一定的质量和可靠性问题, 研究和分析其可能存在的失效机理,对于提升产品寿命、减少市场失效有着十 分重要的意义。 在本文研究的案例中,发现 Top 面的 BGA 封装经历了波峰焊工艺之后,在可靠 性测试中出现了较多的早期失效,通过采用故障定位、无损分析、切片分析以 及微观分析的多种分析手段,对各种可能的失效机理进行了研究,得出了产生 该失效的根本原因。1 无损分析 某设计采用了 BGA 封装(基板表面处理为 NiAu 镀层,PCB 表面处理为 HASL,焊 球和焊料均为 SnPb 共晶合金)。 在 Top 面回流焊接,而 Bottom 面采用波峰焊 接的工艺路线,组装完成后功
3、能测试正常。但是在随后进行的 DVT 测试中,发 现 BGA 封装的 CPU 芯片在温度循环测试中出现了早期失效,功能时断时续,通 过按压的方式能暂时恢复功能。采用 IV 曲线和 TDR 的测试,故障可以被定位到 该 BGA 附近,初步判断为 BGA 的焊点附近出现了开路失效。进一步的采用 Ersa Scope 以及 3D Xray 对该 BGA 进行 观察分析,如同图 2 所示,没有发现 BGA 焊点和 PTH 的明显 异常。需要采用有损的方式对该失效进 行进一步的分析。2 染色起拔和断口分析 对该 BGA 器件进行染色起拔试验,发现大多数焊点从焊盘与 PCB 基材之间出现 分离(图 3);
4、但是故障网络上的焊点出现平整的脆性断口,且整个断口被红 色染色剂染色,证实该位置的焊点在起拔之前已经完全分离,分离界 面为封装 基板侧和焊点之间。同时,在该 BGA 器件中,还有另外的几个焊点呈现相似的 脆性断口形貌(图 4)。染色剂的分布显示,部分焊点在起拔试验之前出现了 全部或者部分的断裂,也有部分焊点为起拔试验过程中出现的脆性断裂。基于以上的试验可以证实,该功能失效是由于 BGA 器 件部分焊点在测试过程中出现了焊点界面的脆性断裂所导 致,因此有必要对脆性断口的界面进行进一步 的分析。采用 SEM 对脆性断口分析,显示脆性断裂界面形貌为 沙石状的基底上 分布着离散的三棱状状结构,采用 E
5、DX 进行 成份分析表明:沙石状主要为 Ni、Sn 元素,也发现了微量 的 Cu 元素;而三棱柱状的主要为 Ni、Sn、Cu 元 素。 对该 BGA 上其他焊点采用 5% HNO3 溶液将 SnPb 焊料去除后观察界面,结果在器 件的封装基板侧均发现了在沙石状的基底 IMC 上着镶嵌有粗大的棱状物,除前 述的三棱柱状外,还 包括实心和空心的六棱柱状结构,经 EDX 分析 都可以被 确认为 Ni-Sn- Cu 三元 IMC ( 图 6 和图 7)。这些结构与 Jeong Won Yoon1等人观察到的现象一致;中空六棱柱状 Ni-Sn- Cu IMC 与 Kim2报道的 SAC 焊点内部发现的
6、Cu6Sn5 结构类似;而 D.Z.Li3 的研究采用 EBSD(背 散射电子衍射)获得了 Ni-Sn-Cu 的衍射花样,证实了其晶 体结构与 Cu6Sn5 一致。 基于以上的研究和本研究的结果可以得出: (1)在焊点结构中同时出现 Ni、Cu 元素时,将导致 Ni- Sn-Cu 三元合金的出 现,这是一种普遍现象; (2)热力学分析表明4:稳态条件下,即可能形成三元 IMC Ni26Cu29Sn45(固定成分);由于焊接过程的瞬时 热冲击和局部的热效应作用, 导致焊接条件下形成的三元 IMC 首先表面为非稳态结构; (3)由于 Cu 的扩散能力较之 Ni 强,因此在靠近 Ni 界面的 IMC
7、 中容易发现 Ni-Sn-Cu 的三元合金;Ni(NiCu)3Sn4 与(CuNi)6Sn5 几乎同时生成5,前 者比较连续,而后者不连续;它们分别由 Cu 或者 Ni 元素在 Ni3Sn4 与 Cu6Sn5 结构中固溶而成; (4)六棱柱是 Ni-Sn-Cu 的稳定结构,接近 Cu6Sn5 的晶体结构,其实心、空心 的状态取决于个体。IMC 形核后首先 形成中空六棱柱结构,此后若趋向于纵向 生长,则保持中 空;若横向生长,则变为实心。实际观察到长而直的 IMC 往往 是中空结构,而短的 IMC 往往是实心,为这一说法提供了佐证; (5)三棱柱结构的形成以及沙石状(NiCu)3Sn4 的结构形
8、态分析还没有明确 的结论; (6)业界对 Ni-Sn-Cu 对焊点可靠性的影响有较多的研 究610。 Qalcomm、Solectron、Siemense、UIC 均发现三 元 IMC 引起的脆性断裂,主要 原因是 Ni-Sn-Cu 与 Ni-Sn 之间结合不良,而 Solectron 还认为会导致重熔时缩 锡;也有 Jeong-Won Yoon 等认为不存在可靠性风险,Philips 甚至发 现 Cu- Ni-Sn 的形成可以改善金脆。但是在本研究中,并不能证实该三元合金是造成 焊点早期失效的唯一因素。3 金相切片分析 断口分析的结果显示 Ni-Sn-Cu 的三元合金并不是本次失效的根本原因
9、,因此继 续对失效样本进行切片分析。 在本失效分析研究中,观察功能测试怀疑失效的焊点,可以发现这些焊点的组 织基本正常(图 8),焊点和 BGA 封装基板出现断裂现象,但是焊点和 PCB 侧 焊盘连接正常,靠近 PCB 侧焊盘的组织出现轻微的粗化现象。采用 SEM 对切片 进行观察,可以证实前期断口分析和染色起拔试验的结果,分离界面为 IMC 和SnPb 焊点之间。对切片进行分析, 还可以发现另外的两类组织结 构图片,一类主要位于器件 四周,或者距离孔十分近的位置且用大焊盘连接;这些焊点显示出从 BGA 封装 基板 处向 PCB 侧的晶粒生长方向性,初步判断在波峰焊过程中出现了重熔现象 (图
10、9),由于波峰焊接时热量从底部向上传导,因此器件侧温度低 于 PCB 侧, 焊点重熔之后冷却结晶时,晶粒首先在靠近器件侧的位置萌生。另外一类焊点组织形貌出现了明显的局部重熔的形貌,如图 10 所示,可以在靠 近 PCB 侧焊盘位置的附近发现晶粒组织细小,而其上部靠近封装基板侧的晶粒 组织粗大,两种组织将焊点清晰地分为两个部分。这种形貌的焊点占到了整个 器件焊点的 50以上,而且没有发现任何的焊点开裂或者裂纹萌生的现象。这是由于波峰焊属于瞬时的热传递过程,在波峰焊过程中,过孔的热传导作用 比较明显。在完成波峰焊之前,过孔传递的热量不足以融化整个焊点,因此出 现了靠近 PCB 焊盘的下侧焊点达到
11、SnPb 焊点的熔点 18 而重熔,晶粒组织细 化;上侧焊点仅仅受到热的作用发生组织粗化;出现了典型的混合形貌特征。 第三类焊点分布比较离散,较多的 PCB 焊盘附近都有孔出现。 对失效焊点进行进一步的分析,可以发现这些焊点都 通过长走线和过孔相连, 走线长度远远大于其他与过孔相 连的焊点。从设计文件上可以看出(图 11), 这些焊点的 PCB 侧焊盘都通过长走线与过孔相连,将电信号传向内层。 由于过 孔距离较远,这些焊点接受过孔传递的热量较少,温度相对较低;焊点没有出现重熔现象,即使是靠近 PCB 侧的焊点组织粗化现象也十分轻微。而且数据分 析表明,走线距离越长的焊点失效概率越高。4 结论
12、综合以上现象可以获得以下结论: (1)切片显示焊点断裂为过应力失效模式,分离界面为 IMC 和焊点之间; (2)在波峰焊条件下,Top 面的 BGA 焊点组织形貌与其设计强相关,其位置以 及与过孔之间连线的长度等都是影响其组织形貌的关键因素; (3)根据设计影响因素和实际波峰焊焊接条件,本研究中出现了焊点完全重熔、 部分重熔部分粗化的混合模式以 及轻微粗化三种形貌特征,多数焊点呈现出混 合模式特征; (4)失效焊点距离走线距离最长,温度最低,没有重熔现象。 采用 F E M 对该封装结构进行简单的分析可以发现,无论是由于 PCB 变形导致 焊点受到的机械完全应力,还是由于 CTE 失配导致的循
13、环疲劳应力条件下,失 效焊点位置都不是风险点(图 12),因此可以证实在外界应力作用下,如果焊 点的强度相同,这些位置的焊点应该不是首先失效的焊点。基于这些分析,可以证实失效位置处焊点的强度远 远低于其他位置的焊点强度; 在 DVT 测试中,失效首先在这些薄弱位置出现。为什么这些焊点是强度薄弱点 呢?这是由于这些焊点距离过孔较远,波峰焊时温度较低未发生重熔;而周围 焊点发生全部或者局部重熔;而波峰焊过程中,由于热冲击和局部热效应的影 响,BGA 器件及 PCB 产生局部变形并产生应力,由于多数焊点重熔具备自由伸 缩能力,因此所有应力加载于个别未重熔焊点,导致该焊点出现裂纹萌生或开 焊;这些焊点在后续测试过程中出现早期失效。- 本司专业供应焊锡退锡助剂系列: 1. 纸带分离剂(粉) ,化学退锡助剂,电解退锡助剂。 2. 助焊剂用活性剂,锡渣(灰)还原粉,锡炉除铜粉。 如有技术问题,请与叶生联系。 联系电话:0769-88333445 13713082325 QQ 号:1353269619. 地址:广东省东莞市道滘镇大罗沙村横街 1 巷 19 号